量子力学是科学界最成功的理论之一，它使现代生活的方方面面成为可能。从计算机芯片到医学成像机器等各种技术，都依赖于一个世纪前首次提出的、描述微观尺度物体行为的方程式。
但《自然》杂志的一项调查显示，研究人员对于如何最好地描述数学背后的物理现实仍然存在很大分歧。
量子力学一百年：一场未完成的革命
在上个月举行的量子力学百年纪念活动上，备受赞誉的量子物理学专家们就这一问题进行了礼貌而坚定的辩论。维也纳大学物理学家安东·泽林格（Anton Zeilinger）表示：“量子世界并不存在。”他概述了自己的观点，认为量子态只存在于他的脑海中，它们描述的是信息，而非现实。巴黎萨克雷大学物理学家阿兰·阿斯派克特（Alain Aspect）回应道：“我不同意。”他因在量子现象方面的研究与泽林格共同获得了2022年诺贝尔奖。
展开剩余93%为了了解在量子物理学百年诞辰之际，更广泛的学术界如何解读量子物理学，《自然》杂志开展了迄今为止规模最大的一项调查。我们通过电子邮件联系了15000多名近期发表过量子力学论文的研究人员，并邀请了在德国黑尔戈兰岛举行的百年纪念会议的与会者参与调查。
这些回复（数量超过 1,100 份，主要来自物理学家）表明，研究人员对量子实验最基本特征的理解存在很大差异。
与阿斯派克特和泽林格的观点一致，受访者对波函数——物体量子态的数学描述——究竟代表某种真实存在的东西（36%）、仅仅是一个有用的工具（47%），还是仅仅描述了对实验结果的主观信念（8%），意见分歧巨大。这表明，在持有“现实主义”观点（将方程式投射到现实世界）的研究人员与持有“认识论”观点（认为量子物理学只关注信息）的研究人员之间存在着显著的分歧。
对于量子世界和经典世界之间是否存在界限，学界也存在分歧（45% 的受访者表示“是”，45% 表示“否”，10% 表示不确定）。一些人对我们问题的设置感到困惑，超过 100 位受访者给出了自己的解读（调查内容、方法论以及完整数据的匿名版本可在本页底部的补充信息中找到）。
西班牙巴塞罗那庞培法布拉大学的理论物理学家 Gemma De les Coves 表示：“我发现非常了不起的是，那些对量子理论非常了解的人竟然会被完全相反的观点所说服。”
《自然》杂志询问研究人员，他们认为对量子现象和相互作用的最佳解释是什么——也就是说，在科学家们为将理论的数学原理与现实世界联系起来而做出的各种尝试中，他们最喜欢的是什么。36% 的受访者支持哥本哈根诠释——这是一种实用且经常被教授的方法。但调查也显示，一些更为激进的观点也拥有相当多的追随者。
当被问及对答案的信心时，只有24%的受访者认为自己偏爱的解释是正确的；其他人则认为它仅仅是在某些情况下足够或有用的工具。此外，一些看似持相同观点的科学家在后续问题上给出了不同的答案，这表明他们对所选择的解释存在不一致或不同的理解。
“这对我来说真是太意外了，”苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的理论物理学家雷纳托·雷纳（Renato Renner）说道。这意味着许多量子研究人员只是简单地运用量子理论，而没有深入探究其真正含义——他引用了美国物理学家戴维·默明（David Mermin）创造的“闭嘴计算”方法。但雷纳是一位致力于量子力学基础研究的学者，他很快强调，仅仅进行计算本身并没有错。“如果每个人都像我一样，我们就不会拥有量子计算机了，”他说。
哥本哈根仍然占据主导地位
在过去的一个世纪里，研究人员提出了许多方法来解释量子力学数学背后的现实，但这似乎引发了一些令人震惊的悖论。在量子理论中，物体的行为由其波函数表征：波函数是一个数学表达式，它使用德国物理学家埃尔温·薛定谔于1926年提出的方程计算得出。波函数描述了量子态及其如何演化为一团概率云。只要未被观察到，粒子似乎就会像波一样扩散；它与自身和其他粒子发生干涉，处于状态的“叠加”状态，仿佛存在于许多地方，或同时拥有一个属性的多个值。但是，对粒子属性的观察——即测量——会将这种模糊的存在状态震荡成具有确定值的单一状态。这有时被称为波函数的“坍缩”。
物理学家应该享受理解量子力学的多种方式
更奇怪的是：将两个粒子置于联合叠加状态会导致纠缠，这意味着即使粒子相距很远，它们的量子态仍然交织在一起。
德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）于1925年参与构建了量子力学背后的数学模型，而他的导师、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）则在很大程度上避开了波粒二象性这一奇特的概念，因为他们认为理解世界的传统方式是有限的，人们只能获得观察结果的答案。对玻尔来说，一个物体在粒子和波之间变化是可以接受的，因为这些概念借鉴自经典物理学，只能通过实验逐一揭示。实验者生活在经典物理学的世界中，与他们所测量的量子系统是分离的。
海森堡和玻尔不仅认为，在实验观测到物体之前，不可能谈论其位置，而且还认为，未观测到的粒子的属性在测量之前实际上是不确定的——而不是被定义，但实验者不知道。这种观点曾困扰过爱因斯坦，他坚持认为存在一个预先存在的现实，而科学的任务就是去测量它。
几十年后，海森堡和玻尔并非始终统一的观点的融合被称为哥本哈根诠释，以二人做出开创性工作的大学命名。根据《自然》杂志的调查，这些观点至今仍是量子力学中最流行的观点。对于维也纳大学量子物理学家恰斯拉夫·布鲁克纳来说，这种诠释的强劲表现“反映了它在指导日常量子实践方面的持续效用”。在接受调查的实验物理学家中，近一半支持这种诠释，而理论物理学家只有 33%。“这是我们所知道的最简单的诠释，”巴西里约热内卢联邦大学研究物理学基础的哲学家德西奥·克劳斯 (Décio Krause) 参与了这项调查，他说道。尽管存在问题，但其他诠释“带来了其他问题，在我看来，这些问题更糟糕”，他表示。
但另一些人则认为，哥本哈根理论的出现源于历史的偶然，而非其自身优势。批评人士认为，这让物理学家得以回避更深层次的问题。
我们的观察能使现实发生吗？
一个问题涉及“测量问题”，即询问测量如何触发物体从描述概率的量子态转变为具有经典世界的定义属性。
另一个尚不明确的问题是，波函数究竟代表着某种真实的东西（29% 支持哥本哈根诠释的人选择了这个答案），还是仅仅代表着测量时得出各种值的概率信息（63% 的人选择了这个答案）。“哥本哈根诠释的流行让我感到失望，但并不意外，”纽约城市大学物理哲学家埃莉斯·克鲁尔 (Elise Crull) 说，“我的感觉是，物理学家们还没有反思。”
加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所研究量子基础的罗伯特·斯佩肯斯补充道，哥本哈根诠释的哲学基础已经变得如此规范化，以至于看起来根本不像是一种诠释。他说，许多支持者“只是盲目地接受了哥本哈根哲学，却没有对其进行检验”。
从事哲学或量子基础研究（研究量子物理背后的假设和原理）的受访者最不可能支持哥本哈根诠释，只有20%的人选择了它。“如果我每天都在实验室里用到量子力学，我不需要超越哥本哈根诠释，”法国艾克斯-马赛大学的理论物理学家卡洛·罗韦利说道。但一旦研究人员运用更深入的思想实验进行探究，“哥本哈根诠释就不够了，”他说道。
菜单上还有什么？
第二次世界大战和原子弹研制成功后的几年里，物理学家开始探索量子力学的用途，美国政府也向该领域投入了大量资金。哲学研究则被搁置一旁。哥本哈根诠释逐渐成为主流物理学的主导，但仍有一些物理学家认为它并不令人满意，并提出了其他解释（参见“量子力学：五种诠释”）。
1952年，美国物理学家戴维·玻姆（David Bohm）重新提出了法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）于1927年首次提出的观点：如果量子物体是点状粒子，且其路径由“导航”波决定，那么它们奇特的二重性就说得通了。“玻姆”力学的优势在于它能够解释干涉效应，同时恢复确定性，即粒子的属性在被测量之前就具有既定值。 《自然》杂志的调查发现，7%的受访者认为这种解释最具说服力。
随后，在1957年，美国物理学家休·埃弗里特（Hugh Everett）提出了一个更大胆的替代方案，获得了15%的受访者支持。埃弗里特的解释，后来被称为“多重世界理论”，认为波函数对应于某种真实存在的东西。也就是说，一个粒子在某种意义上确实同时存在于多个地方。从某个世界的角度来看，测量该粒子的观察者只会看到一个结果，但波函数从未真正坍缩。相反，它会分支成多个宇宙，每个宇宙对应一个不同的结果。“这需要我们对世界的直觉进行彻底的重新调整，但对我来说，这正是我们对现实基本理论的期望，”马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的物理学家兼哲学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）在参与这项调查时表示。
20世纪80年代末，“自发坍缩”理论试图解决诸如量子测量问题之类的问题。这些理论的一些版本对薛定谔方程进行了调整，使得波函数偶尔会自行坍缩，而不是需要观察者或测量来坍缩。在其中一些模型中，将量子物体放在一起会放大坍缩的可能性，这意味着用测量设备将粒子置于叠加态，必然会损失组合后的量子态。约4%的受访者选择了这类理论。
量子力学是如何在一百年前的几个月里诞生的
《自然》杂志的调查表明，“认识论”描述可能越来越受欢迎，这种描述认为量子力学仅揭示关于世界的知识，而非表征其物理现实。2016 年的一项针对 149 位物理学家的调查1发现，只有约 7% 的物理学家选择了与认识论相关的解释，而我们调查中的比例为 17%（尽管调查的具体类别和方法有所不同）。其中一些理论建立在最初的哥本哈根诠释的基础上，出现于 21 世纪初，当时量子计算和通信等应用开始以信息为框架构建实验。拥护者，例如 Zeilinger，认为波函数仅仅是预测测量结果的工具，与现实世界没有任何对应关系。
参与调查的苏黎世联邦理工学院理论物理学家拉迪娜·豪斯曼（Ladina Hausmann）表示，认识论观点之所以有吸引力，是因为它最为谨慎。“除了我们在实践中如何使用量子态之外，它不需要我做任何假设，”她说。
一种被称为“量子态主义”（QBism）的认知解释（少数选择“其他”的受访者将其作为他们偏好的解释）将这一观点推向了极端，认为特定“主体”的观察完全是个人的，并且仅对他们有效。类似的“关系量子力学”由罗韦利于1996年首次提出（4%的受访者选择了该理论），它认为量子态始终只描述系统之间的关系，而不是系统本身。
当被问及如何看待量子力学的具体后续问题时，研究人员的观点截然不同，这从他们所支持的整体解释的多样性中可以看出。
一个引发了各种不同答案的问题与量子力学最奇特的方面之一有关：即使粒子相距数千公里，对纠缠粒子的观测结果仍然是相关的。这种远距离连接的可能性被称为非局域性。这种连接无法实现超光速通信。但它是否代表了一种跨越时空的真实且瞬时的影响，以至于测量一个粒子会立即改变其纠缠伙伴并影响未来测量的结果，受访者对此意见不一。
在调查中，39%的受访者表示他们认为这种“超距作用”是真实存在的。其余受访者要么不确定，要么以各种方式表示不同意。苏黎世联邦理工学院理论物理学家弗拉米尼亚·贾科米尼表示，如果受访者回答“是”的意思是物理影响的传播速度比光速还快，这将与爱因斯坦的狭义相对论相冲突。“这应该让每一位严肃的物理学家感到担忧，”雷纳补充道。“我感到困惑。”
为什么一百年后，连物理学家都不明白量子理论
然而，贾科米尼说，一些受访者，比如那些持认识论观点的受访者，可能会回答“是”，但他们将瞬时影响解释为仅仅是信息的瞬间变化，而不是物理效应。
《自然》杂志还探讨了“双缝实验”——电子被送往一个有两条缝的屏幕。在屏幕的另一侧，探测器显示出一种图案，与波状粒子同时穿过两条缝隙并发生自身干涉的现象相吻合。（如果研究人员观察电子的行进轨迹，例如将探测器放在任一缝隙上，图案就会发生变化，表明该粒子只穿过了一条缝隙。）
当被问及一个未被观测的电子是否会同时穿过两个狭缝时，31% 的人表示同意，这个答案不仅符合多重世界诠释，而且调查显示，这也是许多自发坍缩理论和哥本哈根理论追随者对现实的看法。然而，14% 的人认为电子不会同时穿过两个狭缝，这与玻姆力学关于确定电子轨迹的观点相符；48% 的人认为这个问题毫无意义——大多数认知论者和哥本哈根理论的追随者都给出了同样的答案。
打破僵局
既然大家都在做同样的计算，那么怎么可能对量子理论所描述的潜在世界产生如此强烈的分歧呢？除了揭示实验者和理论家的不同态度——以及研究量子基础的人倾向于避免哥本哈根诠释—— 《自然》杂志的调查观点似乎与其他因素无关。其中一个因素是性别（只有 8% 的受访者认为自己是女性，虽然比例很低，但与今年早些时候的一项研究结果相符，即《自然-物理》杂志论文的资深作者中只有 8% 是女性2）。人们在世界上的哪个地方工作以及他们的宗教信仰似乎也没有多大影响（尽管回答最后一个问题的人太少，结果尚不能得出结论）。受访者最接近共识的是，尝试以物理或直观的方式解释量子力学的数学是有价值的——86% 的人同意这一点。
四分之三的受访者还认为，量子理论未来会被更完善的理论所取代，尽管大多数人也认为量子理论中的一些元素将会保留下来。尽管量子力学是历史上实验验证最多的理论之一，但它的数学原理无法描述引力，广义相对论将其解释为时空的弯曲。这导致许多研究人员认为量子物理学可能并不完善。
研究量子基础的研究人员表示，选择一种解释归根结底是在每种解释所带来的牺牲之间做出选择。接受多重世界理论意味着接受存在着我们可能永远无法触及的无数个宇宙。成为多重世界主义者意味着承认量子理论无法为所有观察者描述单一现实（尽管并不一定否认存在一个共同的现实）。雷纳表示，人们愿意付出的代价不仅取决于物理训练，还取决于个人因素。“这是一件非常感性的事情，”他说。 《自然》杂志调查的近一半受访者表示，物理系对量子基础的关注不够（只有 5% 的人认为“太多了”）。
广义上讲，所有解释都预测了相同的结果。但这并不意味着无法找到区分它们的方法。英国物理学家约翰·贝尔在20世纪60年代提出的一项提案已经限制了量子物理学。他的思想实验（此后以多种形式付诸实践）利用对纠缠粒子的测量来证明量子物理学不可能同时具有实在论和局域论的性质。实在论意味着粒子的属性无论是否被测量都存在；局域论意味着物体只受其直接（而非遥远且不相关的）环境的影响。
探索量子解释的新方法不断涌现。例如，上个月，研究量子隧穿现象（即粒子能够穿越经典理论无法逾越的障碍）的物理学家指出，测量到的隧穿速度与玻姆导航波理论3的预测不符。约58%的《自然》杂志调查受访者认为，实验结果将有助于确定可行的方法。一些受访者提到了将叠加态扩展到生物系统的努力。其他受访者则提到探索量子物理与引力之间的交界处。
一些物理学家认为，利用量子计算机内部的叠加态将揭示更多关于此类现象的信息。2024年，当位于加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能公司创始人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）宣布该公司的Willow量子芯片时，他认为，该芯片能够执行比最快的经典计算机上宇宙年龄还要长的计算，“这为量子计算发生在多个平行宇宙中的观点提供了依据”。他指的是英国牛津大学物理学家戴维·德意志（David Deutsch）在1997年对多重世界理论的扩展。
就单一解释达成一致，或许意味着要提出一种全新的方法。“一旦我们找到正确的解释，它就会凭借比以往任何解释都更连贯的特质而自证其真，”斯佩肯斯说。“我认为我们应该以此为目标。”
当前的状况是否构成问题，取决于你问的是谁。“我们竟然没有一个故事来告诉人们什么是现实，这真是令人尴尬，”新墨西哥大学阿尔伯克基分校的理论物理学家、黑尔戈兰岛会议基础小组主持人卡尔顿·凯夫斯总结道。
克鲁尔不同意。她说，人们正在认真对待解读的问题，“这不会导致混乱，也不会令人尴尬。它正在引领进步，引领创造力。这其中蕴含着一种喜悦。”
量子力学：五种解释
以下是解释量子力学的五种广泛方法——以及它们如何解决量子测量问题。
在量子理论中，一个未被观测的系统可以被描述为同时处于多个可能状态的叠加态，例如处于不同的位置。它的量子态由波函数给出，波函数按照薛定谔方程以平滑、可预测的方式演化。但是当与测量设备相互作用时，系统获得一个明确定义的状态，这个状态事先是不可知的。它的波函数发生"坍缩"，如一些人所说。如何理解这一点呢？
"薛定谔的猫"思想实验展示了这个难题。在这里，毒药是否被释放——可能杀死盒子里的猫——取决于辐射是否被发射，这是一个随机的量子事件。在盒子被打开之前，猫可以被描述为活着和死去的叠加态；当查看盒子内部时，它只处于两种状态中的一种。
自然643, 1175-1179 (2025)
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